纳米zno基复合陶瓷厚膜的气敏特性与应用研究

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要本文以颗粒状纳米ZnO为气敏基体材料，研究不同的掺杂种类（V2O5和WO3）、掺杂含量（1wt%，5wt%，10wt%，30wt%）和烧结温度（450℃，650℃，850℃）等掺杂工艺对ZnO基复合陶瓷材料的形成及其性能的影响，尤其是大量掺杂所制备的多元复相气敏陶瓷的掺杂效应；结合材料的微观分析(XRD和FESEM)以及相关理论，阐明了试验中的电阻和气敏现象；探讨了纳米ZnO基厚膜敏感元件对于聚氯乙烯（PVC）热作用所散发气味的检测实用性，并通过多次重复试验评价其气敏检测性能。试验采用高表面活性的纳米ZnO使得ZnO—V2O5二元相

2、图中的液相线转变温度降低，有液相参与的固相烧结导致烧结后的物相种类复杂；以Zn3(VO4)2为代表的ZnxVyOz系列物相增大了材料的空气电阻，不利于气敏性能的改善。1wt%的微量掺杂和450℃的低温烧结工艺，保证了Zn-V-O复合陶瓷较好的气敏特性。对于纳米Zn-W-O体系材料而言，与纯纳米ZnO相比，30wt%的重量掺杂和450℃的低温烧结工艺可使材料对乙醇和苯的灵敏度分别提高6倍和4倍。复合陶瓷中的辅相发挥了积极作用，其中WO3升华－冷凝而形成桥接的物理作用以及ZnO与WO3酸碱中心相互的催化作用是获得优异敏感性能的主要原因。另外，极性材料WO3随掺杂工

3、艺的改变而发生多相转变，这种多相共存引起Zn-W-O复合陶瓷的电学不稳定性，从而影响材料的气敏性能。聚氯乙烯（PVC）的热伴生气味检测试验开拓了气敏复合陶瓷的应用范围，Zn-W-O气敏元件的测试效果表明，低掺杂含量、高温烧结的厚膜气敏元件相对来说具有较好的一致性。对30次重复试验进行数据分析，引入标准偏差和相对误差值来评价元件的气敏检测性能。关键词：纳米ZnO基材料复合陶瓷大量掺杂气敏特性PVC热─气检测I华中科技大学硕士学位论文AbstractZnOnanoparticleshavebeenadoptedasthebasicgas-sensingmateri

4、als,itwasstudiedontheeffectofdopingtechniques,suchasvariousdopingmaterials（V2O5&WO3）、dopingcontents（1wt%，5wt%，10wt%，30wt%）andsinteringtemperatures（450℃，650℃，850℃）,toZnObasedcompositematerials’forming,especiallyontheeffectofhighdopingcontenttofabricatingmultiplexcompositegas-sensingc

5、eramics.Thensomeexperimentalphenomenaaboutresistanceandgassensingpropertieswereclarifiedcombiningwithmaterials’microstructureanalyzing(XRD&FESEM)andrelatedtheories.AtlastthepracticabilityofnanosizedZnObasedthick-filmsensingcomponentsfordetectingconcomitantsmellswhenPVCheatedwasdiscu

6、ssed,andtheirtestingabilitywereevaluatedthroughrepetitiousexperiments.FortheadoptionofhighlysurfaceactivationaboutZnOnanoparticles,thetransformativetemperatureofliquidcurveinZnO—V2O5wasfalled.Soliquidphaseparticipatedinsolidphasesintering,whichmadethephaseingredientsmorecomplexafter

7、sintering.SeriesphasesZnxVyOz,withtherepresentativeZn3(VO4)2,increasedtheirresistanceinairandwentagainsttheirgassensingproperties.WellgassensingpropertiesofZn-V-Ocompositeceramicswasensuredbylightdopingcontentwith1wt%andlowtemperaturesinteringwith450℃.Comparingtopurenano-ZnOforZn-W-

8、Ocompositenanoparti